主动式温室太阳能地下蓄热系统的研究
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摘要
本文针对冬季温室地温低，严重影响作物生长发育的问题，利用太阳能地下蓄热技术提高地温，满足作物生长对温度的要求。
在研究和设计主动式温室太阳能地下蓄热系统中，采用温度自记仪器，测试了室温及土壤中六个不同深度的温度数据，绘制了相关温度变化曲线，该曲线表明了主动式温室太阳能地下蓄热系统能有效提高冬季温室土壤的温度，并且减小了日温变化幅度。
基于传热学的热传导方程，利用测试的地温数据，选用差分法计算了土壤热扩散率，应用SAS软件拟合了非线性方程，建立了日光温室土壤温度场的数学模型。模型中充分考虑了土壤热扩散率、时间对温室土壤不同深度的温度影响，可计算出任一时间、土壤不同深度的温度。研究表明，模型的数值模拟结果与实测值在数值和变化趋势上符合较好，为进一步分析温室内土壤导热特性提供了手段和依据。
根据现代温室耗热量的分析，建立了温室热平衡方程，由该方程确定的集热器面积与温室种植面积的优化比例为1:5，经试验验证，该比例能满足作物冬季生长对温度的要求。
本文研究的太阳能蓄热系统实现了太阳能夏天贮冬天用、日间贮夜间用、晴天贮阴天用的目的，在不进行人工增温的条件下，能满足作物的冬季生长要求。从节能、环保的角度，为温室冬季增温开创了一条有效途径。
Aiming at the problems of lower soil temperature, which restrains plant develop in greenhouse in wintertime, with the technology of solar energy conserving in soil, it is the paper that introduces a system which is able to store solar energy in soil by a collecting and storing unit of solar energy. The system is able to efficiently increase temperature and meet crop requirement of temperature for yield.
In researching and designing solar energy conserving system in soil for active greenhouse, it adopts instrument of RHLOG, tests temperature of six layers to soil temperature, and draws various curve of temperature. It shows the system can efficiency increase soil temperature and reduces change range of temperature in greenhouse in wintertime.
It presents a mathematical heat transfer model of air and soil temperature in greenhouse basing on the theory of transmission of heat. The model calculates the heat diffuse coefficient of soil by difference method and establishes regression equation on experimental data by SAS. Taking into consideration of the factor include heat diffuse coefficient of soil and time, which affect soil temperature of differential deep, the model can calculates temperature of any time in different depth. The research declares that the simulation result shows good agreement between the calculate values and measured data, and the equations can afford means and evidences for further analyzing of the heat transfer topics on soil in greenhouse.
Using the calculating method of the quantity of heat in modern greenhouse, the heat balance equation of greenhouse is set up. It is confirm that optimizing the areas rate of solar collector to culture field is 1:5. The experiment indicates the rate is able to meet crop requirement of yield all the year round
The research accomplishes the goal of storing solar energy in summertime and utilizing in wintertime, storing in daytime and utilizing in nighttime, storing in sunshine and utilizing in cloudy sky. In condition without raised temperature by other ways, it can meet crop requirement of yield entire year. It is the system that holds effective approach to raise the temperatures inside the greenhouse with the features of saving energy and environmental protection.
在研究和设计主动式温室太阳能地下蓄热系统中，采用温度自记仪器，测试了室温及土壤中六个不同深度的温度数据，绘制了相关温度变化曲线，该曲线表明了主动式温室太阳能地下蓄热系统能有效提高冬季温室土壤的温度，并且减小了日温变化幅度。
基于传热学的热传导方程，利用测试的地温数据，选用差分法计算了土壤热扩散率，应用SAS软件拟合了非线性方程，建立了日光温室土壤温度场的数学模型。模型中充分考虑了土壤热扩散率、时间对温室土壤不同深度的温度影响，可计算出任一时间、土壤不同深度的温度。研究表明，模型的数值模拟结果与实测值在数值和变化趋势上符合较好，为进一步分析温室内土壤导热特性提供了手段和依据。
根据现代温室耗热量的分析，建立了温室热平衡方程，由该方程确定的集热器面积与温室种植面积的优化比例为1:5，经试验验证，该比例能满足作物冬季生长对温度的要求。
本文研究的太阳能蓄热系统实现了太阳能夏天贮冬天用、日间贮夜间用、晴天贮阴天用的目的，在不进行人工增温的条件下，能满足作物的冬季生长要求。从节能、环保的角度，为温室冬季增温开创了一条有效途径。
Aiming at the problems of lower soil temperature, which restrains plant develop in greenhouse in wintertime, with the technology of solar energy conserving in soil, it is the paper that introduces a system which is able to store solar energy in soil by a collecting and storing unit of solar energy. The system is able to efficiently increase temperature and meet crop requirement of temperature for yield.
In researching and designing solar energy conserving system in soil for active greenhouse, it adopts instrument of RHLOG, tests temperature of six layers to soil temperature, and draws various curve of temperature. It shows the system can efficiency increase soil temperature and reduces change range of temperature in greenhouse in wintertime.
It presents a mathematical heat transfer model of air and soil temperature in greenhouse basing on the theory of transmission of heat. The model calculates the heat diffuse coefficient of soil by difference method and establishes regression equation on experimental data by SAS. Taking into consideration of the factor include heat diffuse coefficient of soil and time, which affect soil temperature of differential deep, the model can calculates temperature of any time in different depth. The research declares that the simulation result shows good agreement between the calculate values and measured data, and the equations can afford means and evidences for further analyzing of the heat transfer topics on soil in greenhouse.
Using the calculating method of the quantity of heat in modern greenhouse, the heat balance equation of greenhouse is set up. It is confirm that optimizing the areas rate of solar collector to culture field is 1:5. The experiment indicates the rate is able to meet crop requirement of yield all the year round
The research accomplishes the goal of storing solar energy in summertime and utilizing in wintertime, storing in daytime and utilizing in nighttime, storing in sunshine and utilizing in cloudy sky. In condition without raised temperature by other ways, it can meet crop requirement of yield entire year. It is the system that holds effective approach to raise the temperatures inside the greenhouse with the features of saving energy and environmental protection.
引文
1 陈端生．中国节能型日光温室建筑与环境研究进展．农业工程学报．1994．10(1)：123～129
2 潘强．黄之栋等．华北型连栋塑料温室节能对策与实践．农业工程学报．1999．15(2)：155～159
3 邱建军．温室保温覆盖材料传热系数的测定[学位论文]．北京：北京农业大学．1995
4 万学遂．我国设施的现状和发展趋势．农业机械．2000(11)：4～6
5 盛承禹等．中国气候总论．北京：科学出版社．1986．215～328
6 周长吉．王松涛等．论温室工程标准制定中的几个问题．农业工程学报．2002．18(4)：189～192
7 孙忠富等．日光温室中直射光的计算机模拟方法．农业工程学报．1993，9(1)：36～41
8 吴毅民等．温室采光设计的理论分析方法．农业工程学报．1992，8(3)：73～80
9 孙忠富等．北京地区典型日光温室直射光环境的模拟与分析．农业工程学报．1993．9(2)：45～51
10 陈青云．单屋面温室光照境的数值实验．农业工程学报．1993，9(3)：96～101
11 陈端生等．日光温室气象环境综台研究(一)．农业工程学报．1990，6(2)：77～81
12 周长吉等．日光温室前屋面采光性能的优化．农业工程学报．1993，9(4)；58～61
13 美国温室制造业协会．周长吉．程勤阳译．温室设计标准．北京：中国农业出版社，1998
14 周长吉．大型连栋温室设计风雪荷载分级标准初探．农业工程学报，2000，16(4)；103～105
15 张真和．高效节能型日光温室的开发进展及问题讨论．中国蔬莱，1992(5)：1～3．13
16 李以翠．温室双层充气膜覆盖的研究[学位论文]．中国农业大学．2000，3
17 齐刚．董仁杰．一种温室覆盖新型材料蜂窝塑膜．北京农业工程大学学报．1991，12(1)：52～56
18 陈小雷．届内功能棚膜现状及发展方向．塑料加工．1993，27(3)：10～32
19 周长吉．双层充气温室经济技术评价．农业工程学报，1999,15(1)：159～163
20 Daponte.T Greenhouse Systems: Automation, Culture, and Environment. Proceedings from the Greenhouse Systems International Conference: 1994.7.20～22:New Brunswick, New Jersey.
21 周新群．蜂窝结构材料保温性能及其应用研究．中国农业大学．1998，6--94p
22 亢树华．陈端生．节能型日光温室墙体材料及结构的研究．中国蔬菜，1992，(16)：1～5
23 程绍明．不加温塑料连栋温室冬季保温效应的研究分析[学位论文]．浙江大学．1999，6-p45
24 刘群生．集热调温被动式温室．大阳能，2000，(1)：13～14
25 朴明权．温室地中热交换系统的应用研究[学位论文]．中国农业大学．1999，1--p69
26 马承伟．塑料大棚地下热交换系统的研究．农业工程学报，1985,(1)：10～13
27 袁巧霞．塑料大棚太阳能地下热交换系统的增温效应．华中农业大学学报．1995，14(3)
28 吴德让．李元哲等．日光温室地下热交换系统的实验和优化设计．农业工程学报．1994，
10(1)：144～149
29 吴德让等．日光温室地下热交换系统的理论研究．农业工程学报．1994．10(1)：137～143
30 康军．张颂培等．光能转换技术在农用薄膜上的应用．中国塑料．2000，14(12)：42～48
31 李书民．光质调控薄膜在设施园艺中的应用．中国蔬菜．2000(增刊)：54～57
32 党建国．凌栋宝．地下长期蓄热太阳能蔬菜温室．太阳能．1996(1)：8～10
33 张海莲．熊培桂等．温室地下集太阳热的效果研究．西北农业学报．1997，6(1)：54～57
34 陈仲华．夏朝凤．主动式太阳能温棚经济技术分析．云南师范大学学报．1999，19(3)：12～14
35 William J. Roberts and David R. Mears. Floor Heating of Greenhouses. Acta. Horticulture. 1989, No.257.189～199
36 Connellan.G. J. Performance Aspects of a Solar Water Heated Greenhouse. ACTA. Horticulture. 1989, No.257.127～136
37 马承伟．黄之栋等．连栋温室地中热交换系统贮热加温的试验．农业工程学报．1999，(2)：160～164
38 李晓仁．节虹等．日光温室病虫害发生原因浅析与综合防治对策．北方园艺．2000．(4)：45～46
39 高峰．孙成权等．太阳能开发利用的现状及发展趋势．科技前沿与学术评论．2002，23(4)：35～39
40 黄飞．太阳能利用前景广阔．农村能源．2002．102(2)：8～10
41 T. Kozai. Thermal Performance of a Solar Greenhouse with an Underground Heat Storage System. ACTA. Horticulture. 1989, No.257.189～199
42 王德禄．李安定等．太阳能中高温集热器工业应用研制工作报告．2000，7
43 吴应祥等编著．温室工作手册．科学出版社．1981
44 邹志荣主编．现代园艺设施．中国广播电视大学出版社．2002．3
45 吴毅明等．温室塑料棚环境管理．北京：农业出版社．1990
46 张真和编．高效节能型日光温室园艺．北京：中国农业出版社．1995，
47 陈端生．郑海山等．日光温室气象环境综台研究(三)．农业工程学报，1992，8(4)：78～82
48 孙忠富等．北京地区典型日光温室直射光环境的模拟与分析．农业工程学报．1993，9(2)：45～51
49 林瑞泰著．多孔介质传热传质引论．科学出版社．1995
50 杨晓光．陈端生等．日光温室地温场模拟初探．农业工程学报．1994，10(1)：150～156
51 Y. Deng.C.B.Fedler.Multi-Layered Soil Effects on Vertical Ground-Coupled Heat Pump Design.Transactions of the ASAE.1992,35(2):687～694
52 张开黎．旷玉辉等．太阳能利用中的蓄热技术．青岛建筑工程学院学报．2000．21(4)：92～96
53 霍志臣．太阳能空调技术发展述评．太阳能．1997(3)：28～29
54 何梓年等．太阳能吸收式空调及供热系统的设计和性能．太阳能学报．2001，22(1)：6～11
55 采暖通风与空气调节设计规范手册．中国计划出版社．1989
56 周筠清编．传热学．北京：冶金工业出版社．1999
57 李国师．谢士估．日光温室地温变化规律与调控．安徽农业科学．1995，23(4)：369～371
58 裴喜春．薛河儒主编．SAS及应用．北京：中国农业出版社．1998
59 李元哲编．被动式太阳房热工设计手册．清华大学出版社．1993
60 杨纯．葛新石等．温棚系统中传热问题的理论与实验研究．太阳能学报．1994，15(1)：25～36
61 华孟．王坚主编．土壤物理学．北京：中国农业大学出版社．1993
62 T.Takakura. Modelling in Protected Cultivation. Acta Horticulture.1989, No.248, 49～54
63 Chen Duansheng et al. Technology of the Energy--Saving Sunlight Greenhouse in China. Beijing, ISTG'91: 41～49
64 王补宣．葛新石．太阳能利用中储热研究的新进展．自然杂志．1981．4(1)：16～19
65 T Y Bong, K C Ng AN O Tay. Performance Study of a Solar-Powered Air-Conditioning System. Solar Energy, 1987,39:173～182
66 M R Young, P K Yuan, A Dunn, et al. Performance of a Solar-Powered Air-Conditioning System in Hong Kong. Solar Energy, 1992,48:3309～319
67 N C Back, U C Shin, S H Jeung, Study on The Solar Absorption cooling and Heating System. Proceeding of ISES Solar World Congress 4, Taejon, Korea, 1997
2 潘强．黄之栋等．华北型连栋塑料温室节能对策与实践．农业工程学报．1999．15(2)：155～159
3 邱建军．温室保温覆盖材料传热系数的测定[学位论文]．北京：北京农业大学．1995
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28 吴德让．李元哲等．日光温室地下热交换系统的实验和优化设计．农业工程学报．1994，
10(1)：144～149
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38 李晓仁．节虹等．日光温室病虫害发生原因浅析与综合防治对策．北方园艺．2000．(4)：45～46
39 高峰．孙成权等．太阳能开发利用的现状及发展趋势．科技前沿与学术评论．2002，23(4)：35～39
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42 王德禄．李安定等．太阳能中高温集热器工业应用研制工作报告．2000，7
43 吴应祥等编著．温室工作手册．科学出版社．1981
44 邹志荣主编．现代园艺设施．中国广播电视大学出版社．2002．3
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66 M R Young, P K Yuan, A Dunn, et al. Performance of a Solar-Powered Air-Conditioning System in Hong Kong. Solar Energy, 1992,48:3309～319
67 N C Back, U C Shin, S H Jeung, Study on The Solar Absorption cooling and Heating System. Proceeding of ISES Solar World Congress 4, Taejon, Korea, 1997
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